Aplicación de la fabricación aditiva en el área de fiabilidad y mantenimiento

R. Lastra, M. Díaz, A. Collazo, A. Pereira, J. Marcos 1 de marzo de 2022

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R. Lastra

Dpto. de Ingeniería Telemática, Universidad de Vigo. España.

rlastra@gti.uvigo.es

M. Díaz-Cacho

Dpto. de Ing. de Sist. y Automática E.E.I., 36310 Vigo, España.

mcacho@uvigo.es

A. Collazo

Dpto. de Ing. de los Materiales, Mecánica y Construcción E.E.I., 36310 Vigo, España.

acollazo@uvigo.es

A. Pereira

Dpto. de Diseño en la Ingeniería E.E.I., 36310 Vigo, España.

apereira@uvigo.es

J. Marcos

Dpto. de Tecnología Electrónica E.E.I., 36310 Vigo, España.

acevedo@uvigo.es

Resumen

El reto de este trabajo es averiguar si algunas de las piezas de repuesto de una empresa de fabricación, pueden ser sustituidas por piezas fabricadas mediante Fabricación Aditiva (AM). Se muestra una metodología de análisis para ver qué piezas pueden ser las más adecuadas para fabricarlas mediante tecnología AM. Se eligieron algunas para fabricarlas mediante esta tecnología y se realizaron ensayos para comparar los resultados con los de las piezas originales. En este artículo se aportan observaciones, recomendaciones y conclusiones para la utilización de la tecnología AM en este tipo de aplicación.

Listado de Acrónimos

AM: Additive Manufacturing (Fabricación aditiva)

ASTM: American Society for Testing and Materials

BJ: Binder Jetting

CAD: Computer Aided Design

CM: Corrective Maintenance (Mantenimiento Correctivo)

CPS: Cyber Physical Systems (Sistemas Ciber Físicos)

DoS: Denial of Service (Denegación de Servicio) DSC: Differential Scanning Calorimetry

EBM: Electron Beam Melting (Fusión por haz de electrones)

FDM: Fused deposition Modeling (Modelado por Deposición Fundida)

IoT: Internet of Things

MJF: Multi Jet Fusion

MPPWT: Mean Printed Part Working Time

PA: Polyamide

PLA: Polylactic Acid

PM: Preventive Maintenance

PPWT: Printed Part Working Time

PT: Printing Time

PTFE: PolyTetra Fluoro Ethylene

Ra: Rugosidad media

RT: Replacing Time

SLA: Stereolithography Acurus (Estereografía)

SLM: Selective Laser Melting (Fusión selectiva por láser)

SLS: Selective Laser Sintering (Sinterizado selectivo por láser)

UHMWPE: Ultra High Molecular Weight Polyethylene (Polietileno de ultra alto peso molecular)

Correspondencia: Jorge Marcos Acevedo - 609 93 33 06

1. Introducción

Este trabajo pretende reflexionar sobre la posibilidad de utilizar la fabricación aditiva (AM) en el mantenimiento industrial y concretamente para la impresión de piezas de repuesto. El primer reto es determinar si hay piezas de repuesto susceptibles de ser fabricadas mediante AM y sustituirlas por un archivo CAD que permita imprimir las piezas necesarias y en el momento más adecuado, con la correspondiente reducción del nivel de stocks.

El segundo reto es lograr que las piezas obtenidas mediante la tecnología AM tengan el mismo o el suficiente nivel de desempeño que la pieza original. Además, el coste de algunas piezas de repuesto en el proceso de fabricación aditiva es inferior al de la fabricación convencional (Kostidi, Nikitakos, 2018), especialmente cuando se trata de piezas impresas con materiales polímeros. La tecnología AM fabrica piezas mediante adición de material en lugar de retirar el material sobrante (Wits, Reyes, Jauregui, 2016) y facilita la fabricación bajo demanda.

2. Tecnología de fabricación aditiva (am)

En el proceso de fabricación aditiva intervienen distintos tipos de materiales y distintas tecnologías de impresión (Gibson, Rosen, Stucker, 2015), (Gebhardt, Hötter, 2016). En general, se utilizan tres tipos de materiales: (1) polímeros, (2) metales y (3) cerámicas, que pueden aparecer bajo distintas formas, filamentos (FDM), polvos (SLS) y líquidos (SLA).

A partir del modelo CAD 3D de la pieza, el sistema lee los datos del archivo digital y añade capas sucesivas de líquido, polvo o filamento, de material (metal, polímero o cerámico), en las diversas formas en las que se utiliza (resina, filamento, etc.). La adición se realiza capa a capa para crear la pieza. A diferencia de las técnicas tradicionales de fabricación industrial, la fabricación aditiva reduce los procesos intermedios permitiendo una producción más rápida de las piezas (hasta un 90%).

3. Ejemplo de aplicación

El trabajo se realizó en colaboración con una empresa de fabricación, con un amplio almacén de repuestos de mantenimiento y dos empresas de AM externas, que colaboraron en la impresión de algunas piezas para demostrar la viabilidad de dicha tecnología en mantenimiento, mediante diversos ensayos posteriores.

El primer paso fue clasificar las piezas en función de su capacidad para ser reproducidas mediante AM. El método utilizado para la clasificación consistió en seleccionar una lista de piezas con diferentes criterios para estudiar su posibilidad de impresión AM. Para ello, fue necesario consultar las especificaciones de cada recambio y relacionarlas con los parámetros disponibles de la tecnología de impresión. Con estos datos se procedió a la categorización de las piezas de repuesto. En primer lugar, se tuvo en cuenta la estructura y se hizo una distinción entre piezas individuales y ensamblajes. A continuación, se tuvo en cuenta el volumen. La siguiente característica a tener en cuenta fue el material necesario para imprimir la pieza, como por ejemplo materiales metálicos (acero inoxidable, aluminio, titanio, etc.); materiales poliméricos (Epoxi, ABS, poliamida), etc. Después se tuvo en cuenta la clase de pieza según su aplicación, material flexible o rígido, etc. Finalmente, y en función de todas las características anteriores se categorizaron las piezas en 7 grupos y a cada una de ellas se le asignó la correspondiente característica de imprimibilidad, que podía ser “muy baja”, “baja”, “media” o “alta”.

4. Resultados

Del total de piezas de repuesto del almacén de stocks de la empresa, se analizaron del orden de 30 piezas por categoría. A partir de la clasificación realizada, se hizo una selección de tres piezas de polímero, figura 1, que fueron fabricadas por las empresas colaboradoras.

La pieza número 1 es una pieza de recambio para una herramienta de sujeción que se utiliza para fijar otras piezas, con el fin de bloquear sus movimientos. Es una pieza que se fabricó con poliamida 12 (PA12). La pieza de recambio número 2 es una cubierta para una herramienta y está hecha de UHMWPE que es un material polimérico de alta densidad, extremadamente duro y con gran resistencia a la abrasión y al desgaste. La pieza número 3 también es una pieza de sujeción y también está fabricada con PA12.

Las piezas se realizaron mediante impresión AM y con tecnología Multi Jet Fusion. Esta tecnología está desarrollada para proporcionar buenos niveles de calidad de una manera rápida y económica, en comparación con otras tecnologías de impresión AM existentes (Kim, Zhao, 2016). Las figuras 2, 3 y 4 muestran las piezas realizadas mediante fabricación aditiva y con los materiales antes indicados. La tabla 1 muestra los costes de las piezas originales y las fabricadas mediante AM.

5. Ensayos realizados

En este apartado se muestran los resultados obtenidos de las pruebas y ensayos realizados a las piezas impresas mediante fabricación aditiva. Todos los ensayos fueron no destructivos.

En los ensayos de dureza se obtuvieron mejores resultados en las piezas mediante impresión AM que en las piezas originales. En los ensayos de rugosidad, la pieza 1 presento una rugosidad mayor mediante impresión AM que la original, mientras que en la pieza 2, mediante impresión AM se logró una rugosidad menor que la pieza original.

Posteriormente, se procedió a la validación mediante la utilización de las piezas impresas en condiciones reales, siendo su desempeño plenamente satisfactorio.

6. Ciberseguridad en AM

La AM es una tecnología en rápido crecimiento que se utiliza cada vez más, tanto para prototipado como para otras aplicaciones en diversos sectores (automoción, aeroespacial, etc.) (Yampolskiy, Graves, Gatlin, Skjellum, Yung, 2021), (Bridges, Keiser, Graves, 2015).

En la actualidad se está en pleno proceso de innovación tecnológica, Machine Learning, Big Data, ciberseguridad, computación en la nube, internet de las cosas (IoT), Industria 4.0, etc., (Masud, Narendra, 2021). Como resultado de todo esto cabe pensar en piezas realizadas mediante AM y dotadas de cierto nivel de inteligencia, mediante circuitos electrónicos embebidos en la pieza, con alimentación inalámbrica e incluso autoalimentadas mediante técnicas de Harvesting Energy.

La rápida adopción de la tecnología AM puede motivar una amplia gama de ataques cibernéticos y ciberfísicos. Para asegurar estos sistemas ciberfísicos (CPS) es necesario comprender los posibles ataques a través de los sistemas de fabricación o incluso de las propias piezas si éstas están dotadas de inteligencia. En AM muchos dispositivos pueden estar interconectados a la red IoT siendo la privacidad de las comunicaciones y los elementos de diseño los puntos clave de seguridad (Masud, Narendra, 2021).

Se puede observar que el nivel de amenaza es alto en la capa física en comparación con las capas de aplicación y transporte. Los ataques de Denegación de Servicio (DoS) y los ciberataques maliciosos son muy frecuentes en la capa física, por lo tanto, la detección y minimización de los ataques es una de las tareas clave en los sistemas de AM y de muchos otros.

Agradecimientos

Los autores quieren agradecer la colaboración de D. TAHAR OUSSAMA RILI, estudiante de la Universitá des Sciences et de la Technologie Houari Argel, Argelia, que realizo su Trabajo Final de Master en la Universidad de Vigo y dentro del proyecto europeo: Algerian National Laboratory for Maintenance Education. Proyecto Nº 586035-EPP-1-2017-1-DZ-EPPKA2-CBHE-JP.

Referencias Bibliográficas

Bridges, S.; Keiser, K.; Graves, S. CYBER SECURITY FOR ADDITIVE MANUFACTURING. In Proceedings of the 10th Annual Cyber and Information Security Research Conference ,pp. pp. 1-3, 2015.

Gebhardt, A.; Hötter, J. ADDITIVE MANUFACTURING: 3D printing for prototyping and manufacturing. Carl Hanser Verlag GmbH Co KG, 2016.

Gibson, I.; Rosen, D.; Stucker, B. ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGIES: 3D PRINTING, RAPID PROTOTYPING, AND DIRECT DIGITAL MANUFACTURING. Johnson Matthey Technology Review, pp. pp. 59(3), 193-198, 2015.

Kim, H.; Zhao, Y.; Zhao, L. PROCESS-LEVEL MODELING AND SIMULATION FOR HP'S MULTI JET FUSION 3D PRINTING TECHNOLOGY. 1st International Workshop on Cyber-Physical Production Systems (CPPS), vol. IEEE, pp. (pp. 1-4), 2016.

Kostidi, E.; Nikitakos, N. IS IT TIME FOR THE MARITIME INDUSTRY TO EMBRACE 3D PRINTED SPARE PARTS. International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, 2018.

Masud, R.; Narendra, D. IOT-BASED CYBER-PHYSICAL ADDITIVE MANUFACTURING SYSTEMS: A SECURE COMMUNICATION ARCHITECTURE, RESEARCH CHALLENGES AND DIRECTIONS. 6th International Conference on Inventive Computation Technologies (ICICT), 2021.

Wits, W.;  Reyes, J.; Jauregui, J. HOW ADDITIVE MANUFACTURING ENABLES MORE SUSTAINABLE END-USER MAINTENANCE, REPAIR AND OVERHAUL (MRO) STRATEGIES. Wits, W. W., Procedia Cirp, pp. pp. 40, 693-698, 2016.

Yampolskiy, M.; Graves, L.; Gatlin, J.; Skjellum, A.; Yung, M. WHAT DID YOU ADD TO MY ADDITIVE MANUFACTURING DATA?: STEGANOGRAPHIC ATTACKS ON 3D PRINTING FILES. ICPS Proceedings – RAID´21, 2021.